STM32单片机高级应用：实时操作系统、图形引擎实战

# 1. STM32单片机简介**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的一系列基于ARM Cortex-M内核的高性能微控制器。STM32单片机以其强大的性能、丰富的 периферийные устройства、低功耗和易用性而著称，广泛应用于工业控制、医疗设备、汽车电子、物联网等领域。

STM32单片机系列包含多种型号，从入门级的STM32F0系列到高性能的STM32H7系列，满足不同应用场景的需求。STM32单片机采用ARM Cortex-M内核，具有高性能和低功耗的特点。此外，STM32单片机还集成了丰富的 периферийные устройства，如定时器、ADC、DAC、UART、SPI、I2C等，简化了系统设计。

# 2. 实时操作系统在STM32单片机中的应用

### 2.1 实时操作系统的概念和特点

#### 2.1.1 实时操作系统的定义和分类

**定义：**

实时操作系统（RTOS）是一种专门设计用于处理实时事件的软件系统。它能够在可预测的时间内对外部事件做出响应，确保关键任务的及时执行。

**分类：**

根据实时性要求，RTOS 可分为以下类型：

- **硬实时操作系统：**对时间要求极为严格，必须在指定的时间内完成任务，否则将产生灾难性后果。
- **软实时操作系统：**对时间要求较宽松，允许任务在一定时间范围内完成，但延迟可能会影响系统性能。

### 2.1.2 实时操作系统的基本功能和特性

RTOS 提供以下基本功能：

- **任务调度：**根据任务优先级和时间约束分配 CPU 时间。
- **中断处理：**快速响应外部事件，并根据优先级执行中断处理程序。
- **同步机制：**协调多个任务之间的访问，防止数据竞争。
- **通信机制：**允许任务之间交换数据和消息。

RTOS 具有以下特性：

- **可预测性：**能够在可预测的时间内响应事件。
- **低延迟：**中断响应时间短，确保关键任务的及时执行。
- **可靠性：**能够处理系统故障和错误，保持系统稳定运行。

### 2.2 STM32单片机上常用的实时操作系统

#### 2.2.1 FreeRTOS

**简介：**

FreeRTOS 是一个开源、轻量级的硬实时操作系统，专为嵌入式系统设计。它具有以下优点：

- 小巧高效，占用资源低。
- 支持多种任务调度算法，如优先级调度和时间片调度。
- 提供丰富的同步机制，如互斥量、信号量和队列。

#### 2.2.2 uCOS-II

**简介：**

uCOS-II 是一个商业闭源的硬实时操作系统，以其稳定性和可靠性而闻名。它具有以下特点：

- 支持多任务、多线程和优先级调度。
- 提供先进的同步机制，如消息队列、邮箱和事件标志。
- 具有完善的调试和诊断工具。

### 2.3 实时操作系统在STM32单片机中的实践应用

#### 2.3.1 任务调度和管理

**任务调度：**

RTOS 根据任务优先级和时间约束分配 CPU 时间。任务优先级越高，获得 CPU 时间的可能性越大。

**任务管理：**

RTOS 提供任务创建、删除、挂起和恢复等功能，允许开发者动态管理任务。

#### 2.3.2 中断处理和优先级管理

**中断处理：**

RTOS 提供中断处理机制，快速响应外部事件。中断处理程序的优先级决定了其执行顺序。

**优先级管理：**

RTOS 允许开发者设置任务和中断的优先级，确保关键任务和中断得到及时处理。

**代码块：**

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

void task1(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 执行任务 1 的代码
  }
}

void task2(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 执行任务 2 的代码
  }
}

int main(void) {
  // 创建任务 1 和任务 2
  xTaskCreate(task1, "Task 1", 128, NULL, 1, NULL);
  xTaskCreate(task2, "Task 2", 128, NULL, 2, NULL);

  // 启动任务调度器
  vTaskStartScheduler();
}

**逻辑分析：**

- `xTaskCreate()` 函数创建任务，指定任务名称、堆栈大小、优先级等参数。
- `vTaskStartScheduler()` 函数启动任务调度器，开始任务调度。
- 任务 1 和任务 2 在无限循环中执行，实现其功能。

**参数说明：**

- `pvParameters`：传递给任务函数的参数。
- `128`：任务堆栈大小，单位为字节。
- `1` 和 `2`：任务优先级，数字越大优先级越高。

# 3. 图形引擎在STM32单片机中的应用

### 3.1 图形引擎的概念和分类

#### 3.1.1 图形引擎的定义和功能

图形引擎是一种软件开发工具，用于创建和渲染交互式图形内容。它提供了创建、管理和显示图形对象所需的基本功能，例如：

- **几何图形渲染：** 创建和渲染 2D 和 3D 几何图形，包括多边形、纹理和光照。
- **图像处理：** 加载、缩放、旋转和处理图像数据。
- **文本渲染：** 渲染文本、字体和文本效果。
- **动画：**